泾河流域近50年来的径流时空变化与驱动力分析

收稿日期：2010 － 10 － 17； 修订日期：2010 － 12 － 09 基金项目：国家自然科学基金项目（ 40730631、40801017） 、林业公益性行业科研专项经费项目（ 200904056、200904005） 、中国林科院中 央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（ CAF YBB2007038） 、DEG（ SCHW144813 － 1） 、国家林业局六盘山森林定位站和森林生态环 境重点开放性实验室资助。 作者简介：张淑兰（ 1980 － ） ，女，河北省滦南县人，博士研究生，研究方向为森林生态、水文与水资源管理。E-mail： zhangshulan1980 @ 163． com 通讯作者：王彦辉，博士，研究员。E-mail： wangyh@ caf． ac． cn
泾河流域内水系发达，较大支流有马莲河、蒲 河、汭河、黑河、达溪河、三水河等 10 多条（ 图 1） ， 其中马莲河面积最大，含合水川、东川、山城川和耿 湾川等很多小支流。各子流域的地形、气候、土壤 和植被等差异较大。除西南部的泾河干流、汭河、 黑河等六盘山山地覆盖灰褐土外，其它子流域大多 覆被深厚黄土，一般 50 ～ 80 m，部分黄土残塬可达 100 m 以上。在流域最北部的山城川和耿湾川，植 被 覆 盖 率 很低，大 部 分 为 低 覆 盖 草 地 和 半 荒 漠 草
3 研究结果
3． 1 流域内降水和径流的空间分布 图 2 是泾河各子流域多年平均降水量和径流
深的空间分布，都呈从南到北的减少趋势，并兼有 从西南和东南向中部凹陷的势头。流域西南和东 部受六盘 山 山 脉 与 子 午 岭 山 地 的 影 响，降 水 量 较 高，尤其六盘山多年平均降水量（ 1966 ～ 2005 年）
1 流域基本概况
泾河是黄河流域十大水系之一，也是黄土高原 一条重要河流，位于 106°14' ～ 108°42' E、34°46' ～
37°19'N，发源于宁夏泾源县，流经甘肃和陕西并在 高陵县注入渭河。干流全长 455． 1 km，流域面积 45 421 km2 ，绝大部分位于陇东黄土高原。泾河流 域地势西北高、东南低，根据地貌特征可分为北部 黄土丘陵区、中部黄土塬区、西南部山地林区和东 南部山川区。流域地处温带半湿润半干旱气候的 过渡带，为典型的温带大陆性气候，年降水量由南 到北递减，变化在 350 ～ 600 mm，主要集中于夏、秋 季的 5 ～ 9 月（ 占全年的 72% ～ 86% ） ，而冬春降水 稀少； 流域多年平均气温 8℃ ，最冷月平均气温为 － 8 ～ 10℃ ，最热月平均气温 22 ～ 24℃ ，其空间分 布同样是南高北低。
第31 卷第6 期 2011 年06 月
地理科学
SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA
Vol ． 31 No ． 6 June，2 0 1 1
泾河流域近 50 年来的径流时空变化与驱动力分析
张淑兰1 ，王彦辉1 ，于澎涛1 ，张海军2 ，刘革非1 ，屠新武3
（ 1． 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091； 2． 佳木斯大学生命科学学院，黑龙江 佳木斯 154007； 3． 黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，河南 三门峡 472000）
半干旱区 1958 ～ 2005
西部 西部 西南 南部 东南
洪河 泾河（ 干流） 汭河 黑河 三水河
红河以上 泾川以上 袁家庵以上 张河以上 芦村河以上
1 307 3 145 1 500 1 506 1 310
上游石质山地、中游丘陵沟壑、下游残塬沟壑 上游石质山地、中游丘陵沟壑、下游残塬沟壑 上游石质山地、中游丘陵沟壑、下游残塬沟壑 上游少量石质山地、中下游阶地平原和沟壑 上游少量石质山地、中下游阶地平原和高原沟壑
半干旱区 1959 ～ 2005 半湿润半干旱区 1954 ～ 2005 半湿润半干旱区 1957 ～ 2005 半湿润半干旱区 1980 ～ 2005 半湿润半干旱区 1959 ～ 2005
6期
张淑兰等： 泾河流域近 50 年来的径流时空变化与驱动力分析
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图 2 泾河流域年均降水量（ a） 及径流深（ b） 的空间变化
气候变化及土地利用等人类活动影响是导致 河川 径 流 变 化 的 两 类 因 素，其 研 究 历 来 备 受 重 视［1，2］，并在过去几十年间导致中国北方黄河［1，3］ 等许多河流的径流明显减少。由于影响因素的巨 大 时 空 变 化，流 域 径 流 的 响 应 有 很 大 时 空 差 异［2，3］。进行河 流 流 量 变 化 的 定 量 评 价 并 了 解 主 要影响因素，对更好地认识河川径流演变规律、协 调人水关系、科学恢复流域植被和进行流域水资源 综合管理等具有重要的理论和实践价值。在作为 黄土高原水土流失最严重地区之一的泾河流域，国 内学者已进行了流域的降水和温度及蒸发的时空 变 化 规 律［4 ～ 6］、气 候 变 化 和 土 地 利 用 的 径 流 影 响［7］、植被 覆 盖 与 气 候 的 关 系［8，9］、河 流 水 沙 特 性［10 ～ 12］等的一些研究，但还一直没有深入分析全 流域长时间序列的径流时空变化及主要影响因素， 因此，本文基于 1954 ～ 2005 年的径流、气象方面的 实测数据，开展这方面的深入探讨。
表 1 泾河流域各主要子流域的基本情况及水文数据时间序列
Table 1 Basic information and data series of each subbasin in Jinghe River Basin
位置 北部 东北 东北
子流域 山城川、耿湾川 东川 合水川
控制区域 洪德以上 贾桥以上 板桥
2 数据来源与处理
1． 耿湾川； 2． 山城川； 3来自百度文库 东川； 4． 西川； 5． 马莲河干流； 6． 蒲河； 7． 洪河； 8． 泾河干流 ； 9． 汭河 ； 10． 泾汭合流 ； 11． 泾洪合流； 12． 泾蒲合流； 13． 黑河； 14． 达溪河； 15． 黑河与达溪河合流；
16． 合水川； 17． 四郎河； 18． 泾河干流； 19． 三水河
Fig． 2 Spatial distribution of averaged annual precipitation （ a） and runoff depth （ b） within Jinghe River Basin
高达 749 mm，因此西南部的泾川站和袁家庵站的 年径流深较高（ 表 2 ） ，分别为 82． 2 和 96． 0 mm。 北部地区由于降水偏少，年径流明显较小，如洪德 仅为 14． 4 mm。各子流域年径流系数也从北向南 明显增大，表明流域产流能力从南到北明显减少。 3． 2 年径流深的年代比较
分 5 个年代时段 （ 20 世纪的 60 ～ 90 年代和 2000 年后） 分析泾河的年径流变化。对整个泾河 流域（ 张家山站） ，多年平均径流深为 37． 5 mm； 其 在 60 ～ 90 年 代 和 2000 年后分别为 50． 1、40． 3、 39． 6、32． 3 和 22． 3 mm，2000 年后与 60 年代相比 减少了 55． 5% 。除洪德、贾桥和板桥的年径流深 的年代变化不显著外，其它 6 个子流域均呈明显减 少趋势（ 表 2） 。在泾河干流上游（ 以下视同为子流 域） 和其他子流域，60 年代的年径流深都明显高于 其多年均值，且显著大于其它 4 个年代。但不同子 流域的径流深年代变化存在差异，洪德和贾桥的径 流深在 70、80 年代均小于常年，而到 90 年代有所 增加且明显大于常年，2000 年后又明显减少； 板桥 的径流 深 在 70、80 年 代 有 所 减 少，到 90 年 代 和
摘要：利用近 50 a 的实测数据，分析了泾河流域的径流时空变化规律和主要驱动因子。研究表明： 年降水量和径 流深的空间分布均呈现从南到北的明显减少趋势，并在上游山区出现高值区。流域径流总量自 20 世纪 60 年代 到 21 世纪初显著减少，由 50． 1 mm 减到 22． 3 mm，但各区域的变化很不均匀，其中西部、西南和东南的子流域径 流大量减少，可达 17． 5 mm /10 a； 北部和东北则减少不明显，最大减少率仅为 1． 3 mm /10 a。降水量变化曾是径 流减少的重要原因，但 20 世纪 90 年代后实施的退耕还林等生态工程在 2000 年后已经成为引起径流减少的最 主要原因。 关 键 词：泾河流域； 水文； 径流； 时空变化； 驱动因子 中图分类号： P333 文献标识码：A 文章编号：1000 － 0690（ 2011） 06 － 0721 － 07
2000 年后又有所增加，但均小于多年均值； 毛家河 的径流深 70 年代略大于常年，80、90 年代和 2000 年后均小于常年，且 80 ～ 90 年代有所增加，2000 年后 又 明 显 减 少； 袁 家 庵 的 径 流 深 从 70 年 代 到 2000 年后显著减少，但 2000 年后较 90 年代又明 显增加； 其它 4 个子流域 70 年代到 2000 年后的径 流深一直呈显著减少趋势。
泾河流域的总出口测站为张家山站，控制面积 43 216 km2 ，主要支流测站的控制面积见表 1。本 文收集了泾河流域内 24 个水文站、160 个雨量站 及 29 个气象站的日值数据，包括径流量、降水量、 平均温度和器皿蒸发量，数据系列长度各子流域有 所不同（ 表 1） ，但均是 20 世纪 50 年代（ 中或末） 到 2005 年。本研究利用 ArcGIS 软件的空间插值功 能，对泾河流域的年降水量进行空间插值生成流域 面降水量，利用子流域边界作为掩膜提取子流域面 降水量； 利用各水文站的径流深数据绘制了流域径 流深分布图； 并利用 Mann-Kendall 检验法（ M － K 法） ［13］和数学统计方法对各子流域的径流变化规 律进行对比分析。
面积（ km2 ）
地形地貌
4 640 丘陵沟壑
3 065 丘陵沟壑
807 上游少量石质山地、下游丘陵沟壑
气候类型 干旱区 干旱区
半干旱区
数据序列（ 年） 1958 ～ 2005 1960 ～ 2005 1959 ～ 2005
茹河、交 口 河、黑 河、
西北
毛家河以上
蒲河
3 667 上游丘陵沟壑、下游残塬沟壑
从各支流 2000 年后与 60 年代的年径流深变 化来看，径流减少程度存在明显空间差异，即西南 部径流减少程度显著大于东北部，减少最显著的为 西南部的泾川和袁家庵测站控制的干流和汭河流 域，分别为 113． 5 mm 和 72． 4 mm； 减少不明显的 为北部洪德站的控制区，仅 1． 3 mm。 3． 3 主要气象因子和流域径流的变化率
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在西南地区的泾河干流上游 （ 泾川站以上） 和汭 河、黑河等子流域的森林覆盖率较高，分别占各子 流域面积的 16% ，22． 3% 和 13% ，草地大多为高覆 盖草地，达 30% 。流域总人口在 1986、1990、2000 和 2005 年分别为 733． 4、819． 32、930． 5 和 948． 06 万人 （ 见陕西、甘肃、宁夏 1987、1991、2001 和 2006 年统计年鉴） 。
图 1 泾河流域的雨量站、气象站及 各子流域的水文测站分布
Fig． 1 Distribution of rainfall and weather stations，subbasins and main runoff gauges in Jinghe River Basin
地，分别占 46． 3% 和 52． 2% ； 东川流域大部分为丘 陵沟壑，植被覆盖略微好于洪德以上，其高、中、低 覆盖的草地面积分别占 20． 3% ，16% ，52． 2% ； 西 北部毛家河以上的蒲河流域包括茹河、交口河、黑 河等支流，大部分为半干旱区，中、低覆盖草地面积 占 69． 3% ，高覆盖草地面积占 14． 3% ，森林覆盖率 仅 0． 4% ； 东部的合水川面积仅 807 km2 ，属半干旱 区，受子午岭山地的影响有 25． 9% 的较高森林覆 盖率，灌丛面积占 49． 3% ，高、中覆盖草地也较多 （ 18% ） ； 东南部三水河流域部分位于子午岭山地， 因此森林覆盖率较高（ 13% ） ，高覆盖草地占 20% ；